The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

في أعماق ما تحت سطح الأرض، نادراً ما تكون الأرض ساكنة. فحتى في الأماكن التي لا يتم فيها الحفر، تتعرض قشرة الكوكب لضغط هائل، حيث تضغط عليها القوى التكتونية التي تراكمت عبر ملايين السنين. وفي العديد من المناطق، يكون هذا الضغط كبيراً لدرجة أن الصخور تكون بالفعل على حافة الانكسار، وهي حالة يسميها العلماء "الإجهاد الحرج". الأمر يشبه رف كتب ثقيل متوازن تماماً ولكنه مستعد للانهيار إذا أضيفت إليه ولو نسخة واحدة من كتاب. وعندما يبدأ البشر في تعدين الفحم، فإنهم يزيلون كميات هائلة من الصخور، مما يغير توازن القوى في الأرض. وهذا الاضطراب يخلق نوعاً جديداً من الضغط، يمكنه أن يحفز الصخور على التحرك والتصدع. وبينما نعلم أن التعدين يطلق الغاز من طبقات الفحم التي يتم حفرها، فإن خطاً جديداً من البحث يطرح سؤالاً مذهلاً: هل يمكن للاهتزازات والتصدعات الناتجة عن التعدين أن تصل إلى أعماق كبيرة بحيث تسحب الغاز من أعماق تبلغ أميالاً تحت الأرض، بعيداً عن متناول أي مجرفة أو مثقاب؟

اقترح فريق من الباحثين من روسيا والصين آلية لتفسير سبب تعرض بعض المناجم لتدفقات مفاجئة وهائلة من غاز الميثان لا يمكن تفسيرها من خلال الفحم الذي يتم تعدينه. وفي دراستهم، يشيرون إلى أنه مع توسع عمليات التعدين، فإن منطقة الإجهاد والتصدع لا تتوقف عند قاع الحفرة؛ بل إنها تندفع نحو الأسفل، مما يؤدي إلى تنشيط طبقات عميقة من الأرض كانت هادئة سابقاً. ويجادل الباحثون بأن هذه العملية تخلق شبكة من الشقوق تعمل كطريق سريع، مما يسمح للميثان المحتبس في التكوينات الجيولوجية العميقة بالهجرة صعوداً إلى مواقع التعدين. وقد اختبر الباحثون هذه الفكرة باستخدام محاكاة حاسوبية ومن خلال تحليل بيانات واقعية من منجم مفتوح ضخم في منطقة كوزباس في روسيا، ووجدوا أن حجم الغاز المتحرك من أعماق الأرض يمكن أن يكون مقارباً لحجم الغاز المنبعث من طبقات الفحم نفسها.

لفهم كيفية حديد ذلك، يجب أولاً النظر في كيفية استجابة الأرض للتعدين. فعندما يتم حفر منجم، يتم تخفيف الوزن عن الصخور الموجودة فوق وحول موقع الحفر، وهي عملية تُعرف باسم "تخفيف الحمل". هذا التخفيف يخلق منطقة من الصخور المتصدعة، لكن النماذج التقليدية تشير إلى أن هذه المنطقة تمتد لبضع مئات من الأمتار فقط في العمق. ومع ذلك، يشير الباحثون إلى أنه في العديد من مناطق التعدين، يتم رصد نشاط زلزالي — وهي هزات أرضية صغيرة ناتجة عن النشاط البشري — في أعماق تصل إلى عدة كيلومترات، وهو عمق بعيد جداً عن أي عمليات تعدين جارية. هذا النشاط الزلزالي العميق يشير إلى أن الكتلة الصخرية في أعماق الأرض تتعرض أيضاً لضغط يدفعها نحو حالة الكسر الحرجة. ومع ازدياد حجم المنجم وعمقه، تنتقل تغيرات الإجهاد إلى مستويات أعمق، مما يحول طبقات الصخور الأعمق بالتتابع من حالة مستقرة إلى حالة إجهاد حرج.

عندما تصل الصخور إلى حالة الإجهاد الحرج هذه، فإنها تمر بنوع محدد من التشوه؛ فهي لا تتصدع مرة واحدة وتتوقف، بل تبدأ في التصدع والتحرك على طول نقاط الضعف الموجودة في الأرض. وهذا التصدع يزيد بشكل كبير من "النفاذية" في الصخور، وهي مقياس لمدى سهولة تدفق السوائل والغازات من خلالها. تخيل إسفنجة مضغوطة بإحكام وتحتفظ بالماء بداخلها؛ إذا ضغطت عليها حتى تتشقق، يمكن للماء أن يندفع فجأة للخارج. وبالمثل، عندما تتصدع الطبقات الصخرية العميقة، فإنها تطلق غاز الميثان المحتبس في مسامها منذ دهور. ويقترح الباحثون أن هذا التصدع العميق يخلق مساراً مستمراً لانتقال الغاز من أعماق عدة كيلومترات وصولاً إلى السطح أو إلى أنفاق المنجم.

اختبر الفريق هذا المفهوم باستخدام نموذج حاسوبي يحاكي القشرة الأرضية تحت المنجم. وقاموا بتقسيم المنطقة الموجودة تحت الأرض إلى طبقات وبرمجوا النموذج لمحاكاة الزيادة التدريجية في نشاط التعدين. ومع تقدم المحاكاة، لاحظ الباحثون أن طبقات الصخور الموجودة مباشرة فوق خزان الميثان العميق بدأت في التصدع وزيادة نفاذيتها. في البداية، ظل الغاز محتبساً، ولكن مع وصول إجهاد التعدين المحاكى إلى الطبقات الأعمق، زادت نفاذية الصخور بشكل كبير، مما خلق قناة لهروب الميثان. وأظهرت المحاكاة أنه بمجرد أن أصبحت الصخور فوق مصدر الغاز متصدعة بما يكفي، بدأت كميات ضخمة من الميثان في التدفق صعوداً، متحركة عبر الشقوق المتكونة حديثاً نحو المنجم والسطح.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه النظرية ستصمد في العالم الحقيقي، نظر الباحثون إلى منجم باتشات المفتوح في منطقة كوزباس، وهو موقع معروف بنشاطه الزلزالي المكثف الناتج عن التعدين. وقد فحصوا تاريخ الزلازل المسجلة تحت المنجم على مدى عدة عقود. وكشفت البيانات عن نمط واضح: كان عمق هذه الأحداث الزلزالية يزداد باستمرار بمرور الوقت. ففي أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، كانت الزلازل تحدث على أعماق تتراوح بين كيلومتر واحد إلى ثلاثة كيلومترات. وبحلول عام 2013، تم تسجيل زلزال كبير على عمق أربعة كيلومترات. وبحلول عام 2020، تم رصد نشاط زلزالي في أعماق تصل إلى ستة كيلومترات. يشير هذا التدرج إلى أن منطقة الصخور ذات الإجهاد الحرج تتحرك بالفعل نحو الأسفل، طبقة تلو الأخرى، مع استمرار عمليات التعدين.

باستخدام هذه الملاحظات، قدر الباحثون كمية الغاز التي يمكن أن تهاجر من هذه المناطق العميقة. فقد قاموا بحساب حجم الميثان المتاح في طبقات الصخور حتى عمق أربعة كيلومترات وطبقوا عاملاً لحساب مقدار ذلك الغاز الذي قد ينطلق نتيجة التصدع. وأشارت حساباتهم إلى أن كمية الميثان التي يمكن أن تهاجر من هذه الآفاق العميقة قد تصل إلى مئات الملايين من الأمتار المكعبة. وهذا الرقم لافت للنظر لأن حجمه يقارب إجمالي كمية الغاز المنبعثة من طبقات الفحم التي يتم تعدينها حالياً في موقع باتشات. وهذا يعني أن جزءاً كبيراً من الغاز الموجود في المنجم قد لا يأتي من الفحم الذي يتم حفره، بل من أعماق الأرض التي يحررها إجهاد التعدين نفسه.

كما تتطرق الدراسة إلى الآثار الأوسع لهذه الظاهرة. فإذا كان انتقال الغاز من الأعماق يحدث بالفعل، فإن ذلك يساعد في تفسير سبب تعرض بعض المناجم لارتفاعات مفاجئة وخطيرة في مستويات الغاز التي تبدو وكأنها ظهرت من العدم. كما يشير ذلك إلى أن المخاطر المرتبطة بالتعدين لا تختفي عند إغلاق المنجم؛ فالشقوق التي أحدثها التعدين لعقود والنشاط الزلزالي المرتبط به يمكن أن تظل مفتوحة لسنوات، مما يستمر في توجيه الغاز من أعماق الأرض لفترة طويلة بعد رحيل آخر جرافة. وهذا قد يشكل مخاطر مستمرة على البيئة والصحة العامة، حيث تستمر الغازات مثل الميثان والرادون في التسرب إلى الغلاف الجوي.

يقر الباحثون بأن عملهم هو عبارة عن محاكاة وإطار نظري قائم على البيانات المتاحة، وليس إثباتاً نهائياً لكل التفاصيل. ومع ذلك، فإن التوافق بين نماذجهم الحاسوبية، والتعمق الملحوظ في النشاط الزلزالي، وشذوذات الغاز غير المفسرة في المناجم، يوفر منظوراً جديداً ومقنعاً. إن هذا يتحدى الرؤية التقليدية التي تقول إن غاز المناجم يأتي فقط من المنطقة المجاورة مباشرة لموقع الحفر؛ بل يرسم صورة لأرض ديناميكية يمكن للنشاط البشري فيها أن يحفز سلسلة من التفاعلات في أعماق الأرض، محولاً خزانات الكوكب العميقة إلى مصدر للغاز يتدفق صعوداً عبر الشقوق التي صنعناها. إن هذا الفهم أمر بالغ الأهمية لتطوير تدابير سلامة أفضل والتنبؤ بسلوك الغاز في بعض أكثر مناطق التعدين نشاطاً في العالم.